設計模式基礎篇:UML基礎

UML簡介

統一建模語言（Unified Modeling Language，UML）是用來設計軟件藍圖的可視化建模語言，1997 年被國際對象管理組織（OMG）採納爲面向對象的建模語言的國際標準。它的特點是簡單、統一、圖形化、能表達軟件設計中的動態與靜態信息。

統一建模語言能爲軟件開發的所有階段提供模型化和可視化支持。而且融入了軟件工程領域的新思想、新方法和新技術，使軟件設計人員溝通更簡明，進一步縮短了設計時間，減少開發成本。它的應用領域很寬，不僅適合於一般系統的開發，而且適合於並行與分佈式系統的建模。

UML 從目標系統的不同角度出發，定義了用例圖、類圖、對象圖、狀態圖、活動圖、時序圖、協作圖、構件圖、部署圖等 9 種圖。

軟件設計模式中經常用到的類圖，以及類之間的關係。另外，在實驗部分將簡單介紹 UML 建模工具的使用方法，當前業界使用最廣泛的是 Rational Rose。使用 Umlet 的人也很多，它是一個輕量級的開源 UML 建模工具，簡單實用，常用於小型軟件系統的開發與設計。

類、接口和類圖

1. 類
   類（Class）是指具有相同屬性、方法和關係的對象的抽象，它封裝了數據和行爲，是面向對象程序設計（OOP）的基礎，具有封裝性、繼承性和多態性等三大特性。在 UML 中，類使用包含類名、屬性和操作且帶有分隔線的矩形來表示。

   (1) 類名（Name）是一個字符串，例如，Student。

   (2) 屬性（Attribute）是指類的特性，即類的成員變量。UML 按以下格式表示：

[可見性]屬性名:類型[=默認值]

例如：-name:String

注意：“可見性”表示該屬性對類外的元素是否可見，包括公有（Public）、私有（Private）、受保護（Protected）和朋友（Friendly）4 種，在類圖中分別用符號+、-、#、~表示。

(3) 操作（Operations）是類的任意一個實例對象都可以使用的行爲，是類的成員方法。UML 按以下格式表示：

[可見性]名稱(參數列表)[:返回類型]

例如：+display():void。

圖 1 所示是學生類的 UML 表示。

2. 接口

   接口（Interface）是一種特殊的類，它具有類的結構但不可被實例化，只可以被子類實現。它包含抽象操作，但不包含屬性。它描述了類或組件對外可見的動作。在 UML 中，接口使用一個帶有名稱的小圓圈來進行表示。

   圖 2 所示是圖形類接口的 UMDL 表示。

3. 類圖
   類圖（ClassDiagram）是用來顯示系統中的類、接口、協作以及它們之間的靜態結構和關係的一種靜態模型。它主要用於描述軟件系統的結構化設計，幫助人們簡化對軟件系統的理解，它是系統分析與設計階段的重要產物，也是系統編碼與測試的重要模型依據。

   類圖中的類可以通過某種編程 語言直接實現。類圖在軟件系統開發的整個生命週期都是有效的，它是面向對象系統的建模中最常見的圖。圖 3 所示是“計算長方形和圓形的周長與面積”的類圖，圖形接口有計算面積和周長的抽象方法，長方形和圓形實現這兩個方法供訪問類調用。

類之間的關係

在軟件系統中，類不是孤立存在的，類與類之間存在各種關係。根據類與類之間的耦合度從弱到強排列，UML 中的類圖有以下幾種關係：依賴關係、關聯關係、聚合關係、組合關係、泛化關係和實現關係。其中泛化和實現的耦合度相等，它們是最強的。

1. 依賴關係
   依賴（Dependency）關係是一種使用關係，它是對象之間耦合度最弱的一種關聯方式，是臨時性的關聯。在代碼中，某個類的方法通過局部變量、方法的參數或者對靜態方法的調用來訪問另一個類（被依賴類）中的某些方法來完成一些職責。

   在 UML 類圖中，依賴關係使用帶箭頭的虛線來表示，箭頭從使用類指向被依賴的類。圖 4 所示是人與手機的關係圖，人通過手機的語音傳送方法打電話。

2. 關聯關係
   關聯（Association）關係是對象之間的一種引用關係，用於表示一類對象與另一類對象之間的聯繫，如老師和學生、師傅和徒弟、丈夫和妻子等。關聯關係是類與類之間最常用的一種關係，分爲一般關聯關係、聚合關係和組合關係。我們先介紹一般關聯。

   關聯可以是雙向的，也可以是單向的。在 UML 類圖中，雙向的關聯可以用帶兩個箭頭或者沒有箭頭的實線來表示，單向的關聯用帶一個箭頭的實線來表示，箭頭從使用類指向被關聯的類。也可以在關聯線的兩端標註角色名，代表兩種不同的角色。

   在代碼中通常將一個類的對象作爲另一個類的成員變量來實現關聯關係。圖 5 所示是老師和學生的關係圖，每個老師可以教多個學生，每個學生也可向多個老師學，他們是雙向關聯。

3. 聚合關係
   聚合（Aggregation）關係是關聯關係的一種，是強關聯關係，是整體和部分之間的關係，是 has-a 的關係。

   聚合關係也是通過成員對象來實現的，其中成員對象是整體對象的一部分，但是成員對象可以脫離整體對象而獨立存在。例如，學校與老師的關係，學校包含老師，但如果學校停辦了，老師依然存在。

   在 UML 類圖中，聚合關係可以用帶空心菱形的實線來表示，菱形指向整體。圖 6 所示是大學和教師的關係圖。

4. 組合關係
   組合（Composition）關係也是關聯關係的一種，也表示類之間的整體與部分的關係，但它是一種更強烈的聚合關係，是 cxmtains-a 關係。

   在組合關係中，整體對象可以控制部分對象的生命週期，一旦整體對象不存在，部分對象也將不存在，部分對象不能脫離整體對象而存在。例如，頭和嘴的關係，沒有了頭，嘴也就不存在了。

   在 UML 類圖中，組合關係用帶實心菱形的實線來表示，菱形指向整體。圖 7 所示是頭和嘴的關係圖。

5. 泛化關係
   泛化（Generalization）關係是對象之間耦合度最大的一種關係，表示一般與特殊的關係，是父類與子類之間的關係，是一種繼承關係，是 is-a 的關係。

   在 UML 類圖中，泛化關係用帶空心三角箭頭的實線來表示，箭頭從子類指向父類。在代碼實現時，使用面向對象的繼承機制來實現泛化關係。例如，Student 類和 Teacher 類都是 Person 類的子類，其類圖如圖 8 所示。
   

6. 實現關係
   實現（Realization）關係是接口與實現類之間的關係。在這種關係中，類實現了接口，類中的操作實現了接口中所聲明的所有的抽象操作。

   在 UML 類圖中，實現關係使用帶空心三角箭頭的虛線來表示，箭頭從實現類指向接口。例如，汽車和船實現了交通工具，其類圖如圖 9 所示。

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